Information für Fachpersonen Räumliche Energieplanung Werkzeuge für eine zukunftstaugliche Wärmeversorgung Modul 1: Zweck und Bedeutung Modul 2: Vorgehen Modul 3: Energienachfrage Modul 4: Energiepotenziale Modul 5: Wärmeerzeugung Einsatzbereiche und Kennwerte Modul 5 in Kürze Wärmeerzeugungsarten Anlagen zur Wärmeerzeugung können in Bezug auf Anwendung, Einsatz und Umweltbelastung auf folgende Arten unterschieden werden: Versorgung in einem Nah- bzw. Fernwärmeverbund Wärmeerzeugung auf hohem bzw. niedrigem Temperaturniveau Ortsgebundenheit der Energiequellen Versorgung im Wärmeverbund Ein rationeller und auch wirtschaftlicher Betrieb von verschiedenen Wärmeerzeugungsanlagen, zum Beispiel Wärmekraftkopplung (WKK), Holzheizzentralen und mehrstufige Wärmepumpensysteme, kann bei der Konzeption von zentralen Grossanlagen mit Nah- oder Fernwärmeverbund gewährleistet werden. Die Anlagen können auch zu bivalenten Systemen kombiniert werden. Modul 6: Wärmeverbund Weiterführende Informationen und Links Separates Beiblatt zu den Modulen 1 bis 8 Modul 7: Umsetzung Modul 8: Erfolgskontrolle
Verschiedene Arten der Wärmeerzeugung Für die Wärmeversorgung sind neben unterschiedlichen Energieträgern auch die verschiedenen Erzeugungsarten bedeutend. Die räumliche Energieplanung fördert die Nutzung von Abwärme und erneuerbaren Energien. Zur Beurteilung der Zweckmässigkeit der unterschiedlichen Wärmerzeugungsarten ist unter anderem der vorgesehene Einsatzbereich wichtig (Tabelle 1). Als Bestandteil eines Wärmeerzeugungssystems lassen sich verschiedene Anlagetypen auch miteinander kombinieren: Wärmeerzeugung durch Verbrennung: Holz- und fossile Feuerungen ermöglichen Hochtemperaturwärme Wärmegewinnung aus Prozessen: Abwärmenutzung auf hohem oder niedrigem Temperaturniveau Wärmeumwandlung im Niedertemperaturbereich: Nutzung von Umweltwärme mit Wärmepumpen und von Sonnenstrahlung mit thermi schen Solaranlagen Feuerungen Durch die Verbrennung von Brennstoffen wie Energieholz Stückholz, Holzschnitzel oder Pellets sowie Heizöl, Erd- oder Biogas wird Wärme erzeugt. Diese lässt sich als Raumwärme und zur Warmwasseraufbereitung nutzen oder speziell für Wärmerzeugung im Hochtemperaturbereich Hochtemperaturprozesse in der Industrie einsetzen. Holzfeuerungen Für die räumliche Energieplanung sind hauptsächlich Holzheizkraftwerke sowie Schnitzelfeuerungsanlagen von Bedeutung, die der Versorgung im Nah- oder Fernwärmeverbund dienen. Grosse Holzfeuerungsanlagen haben den Vorteil, dass sie effizienter betrieben werden können als Kleinanlagen und weniger Schadstoffe ausstossen. Wichtige Voraussetzung bildet dazu die sachgerechte Dimensionierung der Anlagen: Der optimale Einsatzbereich von Holzfeuerungen liegt vor allem in der Wärmeversorgung (Heizen, Warmwasser) von bestehenden, weniger gut gedämmten Gebäuden, aber auch von Neubauten. Holzschnitzelfeuerungen werden eher bei Mehrfamilien- oder Schulhäusern eingesetzt; bei kleineren Gebäuden und Einfamilienhäusern bewähren sich automatische Pelletsfeuerungen. Die Verbrennung erfolgt CO 2 -neutral; hingegen werden grössere Mengen an Luftschadstoffen ausgestossen insbesondere Feinstaub ( ), Stickoxide (NO x ) und Kohlenmonoxid (CO). Schadstoff belastete Gebiete sind daher zu meiden. Tabelle 1: Energieerzeugung mit Holzfeuerungen und fossilen Feuerungen. Brennstoffe Einsatzbereich Kennwerte für die Planung Emissionen Holzschnitzel Heizzentrale mit Wärme verbund oder für Mehrfamilienhäuser (ab 150 kw bis 10 MW) Pellets Normalerweise Einund Mehrfamilienhäuser (15 bis kw) Grossanlagen mit Wärmeverbund (bis 1 MW) Fossile Brennstoffe Spitzendeckung im (Heizöl und Erdgas) Wärmeverbund Prozesswärme in der Industrie Heizwert: 300 bis 1000 kwh/sm 3 Anlagen weisen geringen variablen Leistungsbereich auf Oft bivalente Systeme mit zusätzlichem Öl- oder Pelletskessel Heizwert: rund 3300 kwh/sm 3 Geringeres Lagervolumen erforderlich als bei Holzschnitzelfeuerungen Hoher Wirkungsgrad dank kondensierender Feuerungstechnik CO 2 -neutrale Verbrennung : 2 mg/kwh CO 2 -neutrale Verbrennung : 110 mg/kwh Hoher CO 2 -Ausstoss: 200 bis 2 g/kwh : < 1 mg/kwh 2
Das Brennstoffpotenzial ist insgesamt noch nicht ausgeschöpft; jedoch stehen die Reserven regional unterschiedlich zur Verfügung. Die Nutzung von Energieholz ist Bestandteil der nachhaltigen Waldbewirtschaftung. Ausserdem kann in waldreichen Gemeinden die regionale Wertschöpfung erhöht werden. Nach wie vor gilt, dass die stoffliche Verwertung Vorrang vor der energetischen erhält. Fossile Feuerungen Feuerungen mit Heizöl oder Erdgas sollen künftig nur noch für die Erzeugung von Hochtemperaturwärme oder zur Spitzendeckung eingesetzt werden. Da bei der Verbrennung viel CO 2 ausgestossen wird, sind fossile Feuerungen auf spezielle Anwendungen, beispielsweise unstete Hochtemperaturprozesse, zu beschränken. Die Feuerungstechnik wurde in den letzten Jahren laufend verbessert. Durch die Wärmenutzung der Abgase im Kondensationskessel wird der Wirkungsgrad entsprechend erhöht. Betriebseffizienz und Jahresarbeitszahl Als Mass für die Effizienz einer Wärmepumpenanlage wird der Begriff Jahresarbeitszahl (JAZ) verwendet. Sie gibt an, wie viel Wärme im Verhältnis zur eingesetzten Hilfsenergie für den Kompressor erzeugt wird. Eine hohe Betriebseffizienz ist realisierbar, wenn die Vorlauftemperatur im Heizsystem möglichst tief ist und die Wärmequelle in den heizungsrelevanten Wintermonaten eine konstant hohe Temperatur aufweist (Abbildung 1, Temperaturhub maximal 20 C bis 30 C). Wärmepumpe Wärmepumpen (WP) nutzen Energiepotenziale mit tiefem Temperaturniveau. Diese Form der Energieerzeugung ist insofern raumwirksam, als ortsgebundene Wärmequellen aus unmittelbarer Umgebung Erdreich, Oberflächen- und Grundwasser verfügbar sind. Ausserdem kann auch Abwärme, beispielsweise aus dem Abwasser, für Heizzwecke genutzt werden. Für den effizienten Betrieb einer WP ist sowohl auf die Güte der Wärmequelle als auch auf den Einsatzbereich zu achten (Tabelle 2 auf Seite 4). Denn je geringer der Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und dem Heizssystem, umso weniger Hilfsenergie (Strom oder Bio- und Erdgas) wird für den WP-Antrieb benötigt. WP eignen sich für die Erzeugung von Raumwärme in Neubauten oder energetisch sanierten Altbauten, die mit niedrigen Vorlauftemperaturen im Heizungs- Arbeitszahl einer WP in Abhängigkeit des Temperaturhubes Arbeitszahl [ ] 15 10 Theoretisch R134a Ammoniak (NH3) 5 Abbildung 1: Abhängigkeit der Jahresarbeitszahl (JAZ) einer Wärmepumpe bezüglich Wärmehub und Kältemittel (Erb 2009). 0 20 30 40 50 60 Temperaturhub in K 3
kreislauf auskommen (Bodenheizungen). In einem Nahwärmeverbund oder zur Erzeugung von Warmwasser sollten aus Effizienzgründen in Serie geschaltete Wärmepumpen respektive Wärmepumpen mit zweistufigen Kompressoren eingesetzt werden (inkl. Spitzendeckung, bivalente Systeme). Wärmepumpen, die ihre Energie aus dem Erdreich, dem Grundwasser oder dem Abwasser beziehen, können im Sommer auch für die Kühlung eines Gebäudes genutzt werden. Die aktive und passive Kühlung gewinnt aufgrund höherer interner Wärmelasten, besserer Luftdichtigkeit der Gebäudehülle und steigenden Anforderungen an die Behaglichkeit stetig an Bedeutung. Wärmekraftkopplung Wärmekraftkopplungsanlagen (WKK) erzeugen über einen Verbrennungsprozess Strom und liefern zugleich nutzbare Abwärme. Der wärmegeführte Betrieb einer WKK ist vor allem in der Winterzeit interessant, wenn die Wärme- und die Stromnachfrage zugleich am grössten sind. WKK-Anlagen eignen sich für die Grundversorgung im Wärmeverbund sowie zur Deckung eines ganzjährigen Bandlastbedarfs bei Grossverbrauchern (Tabelle 3). Der rationelle Betrieb ist auf eine hohe Betriebsstundenzahl (4000 h/a) angewiesen. Glossar Mono- und bivalente Systeme: Die Wärmeerzeugungssysteme werden nach der Anzahl eingesetzter Wärmeerzeuger unterschieden. Muss ein System in allen möglichen Betriebszuständen die erforderliche Heizleistung erbringen, spricht man von monovalenten Systemen. Bei bivalenten Systemen werden zusätzliche Erzeuger zur Abdeckung der Spitzenlasten alternativ oder parallel zugeschaltet. Einsatzbereiche für Wärmepumpen und WKK-Anlagen WP-Wärmequelle Einsatzbereich Abwasser Ab 150 kw Heizleistung sinnvoll (bivalent) Abwärmenutzung bei stetem Abwasseranfall (mind. 15 l/s) und zulässiger Abkühlung vor ARA Untiefe Geothermie Aus Effizienzgründen immer sinnvoll (ganzjährig hohe Temperatur der Wärmequelle) Erdsonden nur ausserhalb von Grundwasservorkommen und Karstgebieten (kantonale Bewilligung) Grund-, Quell- und Ab 20 kw Heizleistung sinnvoll (Vorschriften der Kantone bzgl. Mindestleistung beachten) Trinkwasser Fassungen nur mit kantonaler Konzession Oberflächenwasser Ab 300 kw Heizleistung sinnvoll Fassungsbauwerk nur mit kantonaler Konzession (kosten- und wartungsintensiv) Umgebungsluft Nur Kleinanlagen sinnvoll (tiefe Aussenluft-Temperaturen in Heizperiode) Tabelle 2: Unterschiedliche Einsatzbereiche der Wärmequellen bei Wärmepumpen. WKK-Anlagen Brennstoff Mögliche Anwendungen Heizkraftwerk (HKW) Blockheizkraftwerk (BHKW) Dampfturbine mit Erdgas, Heizöl, Kehricht, Energieholz Gasturbine mit Erdgas, Flüssiggas Verbrennungsmotor mit Erdgas, Biogas, Biotreibstoff, Heizöl Holz-Heizkraftwerk mit Fernwärmeverbund Abwärmenutzung ab Kehrichtverbrennungsanlage Nahwärmeverbund, u. a. für Wohnsiedlungen Prozesswärme in Industriebetrieb (ev. in Kombination mit einer Notstromgruppe) grössere Einzelgebäude Tabelle 3: Einsatzbereiche von WKK- Anlagen. 4
Nutzung der Sonnenenergie Die Sonnenenergie kann mit Hilfe von Sonnenkollektoren auf dem Dach oder an einer Gebäudefassade zur Erzeugung von Wärme genutzt werden. Die gewonnene Wärme wird in erster Linie zur Bereitstellung des Brauchwarmwassers sowie teilweise für die Vorwärmung im Heizsystem verwendet. In einem Nahwärmeverbund können thermische Solaranlagen dazu eingesetzt werden, die primäre Heizanlage über den Sommer ausser Betrieb zu setzen. Thermische Solaranlagen sind meistens bewilligungspflichtig. Je nach Ausrichtung der Sonnenkollektoren (Neigungswinkel und Orientierung) und der örtlichen Sonneneinstrahlung lassen sich unterschiedlich hohe Energieerträge erzielen (Abbildung 2). Flächenbedarf bei Sonnenkollektoren Mit 1 bis 1,5 m 2 Kollektorfläche lassen sich jährlich bis zu % des Warmwasserbedarfs einer Person decken. Dies entspricht einem jährlichen Energieertrag von rund 500 kwh/m 2. Bei zusätzlicher Heizungsunterstützung muss eine deutlich grössere Kollektorfläche sowie eine höhere Speicherkapazität eingeplant werden. Der Jahresertrag an Wärme liegt bei rund 250 bis 300 kwh/m 2. Optimale Ausrichtung von Sonnenkollektoren Neigungswinkel [ ] Senkrecht 60 50 40 30 65 60 % % % % % Waagrecht 20 10 0 60 45 30 15 0 15 30 45 60 Westen Orientierung [ ] Osten 65% 60% Abbildung 2: Reduktion des Ertrags bei Abweichung von der optimalen Ausrichtung. Impressum Herausgeber: EnergieSchweiz für Gemeinden, c/o Nova Energie GmbH, 8356 Ettenhausen Druck: Februar 2011 Unterstützung: Kantone Aargau, Bern, Luzern, Schaffhausen, St.Gallen, Thurgau und Zürich, Amt für Raumentwicklung ARE Begleitgruppe: Kurt Egger (EnergieSchweiz für Gemeinden), Ursula Eschenauer (Kanton St.Gallen), Sascha Gerster (Kanton Zürich), Jules Gut (Kanton Luzern), Robert Horbaty (EnergieSchweiz für Gemeinden), Michel Müller (Kanton Aargau), Alex Nietlisbach (Kanton Zürich), Marcel Sturzenegger (Kanton St. Gallen), Deborah Wettstein (Kanton Bern) Auftragnehmer: Brandes Energie AG (Maren Kornmann), econcept AG (Reto Dettli, Noemi Rom), PLANAR AG für Raumentwicklung (Bruno Hoesli, Michael Rothen, Fabia Moret) Layout: Oerlikon Journalisten AG (Paul Knüsel, Christine Sidler) 5